Polipropylen jestwęglowodorowym polimeremtermoplastycznym, to znaczy daje się wprowadzić w stan wysoko elastyczny pod wpływem zwiększenia temperatury oraz z powrotem zestalić po jej obniżeniu, bez zmian własności chemicznych.
Wartość rynku polipropylenu wynosiła w 2019 roku 126,03 miliarda dolarów, przy czym według publikacjiPolypropylene Global Market Report 2020 do 2023 roku wartość ta wzrośnie do 192,33 miliarda dolarów[1].
Polimeryzację PP prowadzi się najczęściej wroztworze o temperaturze od 50 do 100 °C i trwa ona od pół godziny do 10 godzin. Jako rozpuszczalniki w procesie polimeryzacji stosuje się nasyconealkany, na przykładheksan in-heptan. W tych układach wytrąca się powstający izotaktyczny polipropylen, natomiast polimer ataktyczny pozostaje w roztworze. Katalizator stosuje się w roztworze lubzawiesinie.
Propylen ataktyczny (o strukturze nieuporządkowanej; kolorem czerwonym zaznaczono atomy węgla, a niebieskim wodoru)Propylen izotaktycznyPropylen syndiotaktyczny
Ze względu na to, że jeden z atomów węgla w każdym merze polipropylenu jest centrumchiralności, związek ten występuje w trzech podstawowych formachsteroizomerycznych, różniących się położeniem bocznych grup−CH 3 (metylowych) w przestrzeni względem swoich sąsiadów. W zależności od warunków polimeryzacji i rodzaju katalizatora, można otrzymywać następujące odmiany polipropylenu[2]:
ataktyczny –konfiguracja absolutna centrów chiralności jest przypadkowa, co powoduje, że boczne grupy metylowe znajdują się raz „nad” łańcuchem polimeru, a raz „pod” (losowo, jak na rysunku z prawej strony)[2];
izotaktyczny – konfiguracja wszystkich centrów chiralności jest jednakowa, co powoduje że wszystkie grupy metylowe znajdują się po „jednej stronie” łańcucha polimeru[2];
syndiotaktyczny – konfiguracja centrów chiralności jest ściśle naprzemienna, czego skutkiem jest też ścisła naprzemienność umiejscowienia bocznych grup metylowych[2].
Odmiana ataktyczna ma bardzo słabe właściwości mechaniczne i praktycznie nie jest stosowana jako materiał konstrukcyjny. Odmiana izotaktyczna posiada najlepsze własności mechaniczne i jednocześnie najwyższą, spośród wszystkich form polipropylenu,temperaturę mięknienia. PP izotaktyczny jesttworzywem termoplastycznym (przetwarzanym przezwtrysk itłoczenie), który stosuje się do produkcji rur, naczyń, zabawek, opakowań, folii. Olbrzymia większość PP stosowanego w praktyce to właśnie jego forma izotaktyczna[2].
W porównaniu dopolietylenu polipropylen izotaktyczny jest sztywniejszy i bardziej odporny na zginanie i rozrywanie i jednocześnie nieco łatwiej się go przetwarza. Jest on jednak też nieco droższy w produkcji. Jego wadą, w stosunku do polietylenu, jest mniejsza odporność chemiczna. Polietylen jest niemal całkowicie nierozpuszczalny[2].
PP syndiotaktyczny ma słabsze własności mechaniczne, ale posiada jednocześnie niższą temperaturę mięknienia. Stosuje się go czasami do produkcji przedmiotów o bardzo złożonym kształcie, które nie są poddawane zbyt dużym obciążeniom mechanicznym (na przykład elementów zabawek).
Jeśli polimeryzacja jest przeprowadzona w niskiej temperaturze (od −50 do −35 °C), w obecnościkatalizatorów Friedela-Craftsa, otrzymuje się PP bezpostaciowy (amorficzny) omasie cząsteczkowej od 1000 do 10 000; jeżeli natomiast zastosuje się katalizatory typu Zieglera-Natty, uzyskuje się PP izotaktyczny[2], który ma średnią masę cząsteczkową od 50 000 do 100 000, a w przypadku gatunków włóknotwórczych niekiedy do 1 000 000. Na właściwości polimeru decydujący wpływ ma taktyczność (frakcja izo-, syndio- lub ataktyczna) oraz krystaliczność i ciężar cząsteczkowy.
Pierwszy proces przemysłowy produkcji PP izotaktycznego został uruchomiony w 1957 roku weWłoszech. Obecnie wyżej opisane procesy stosują różne firmy i każdy z nich ma wiele różnic technologicznych. W Polsce produkcją PP zajmuje się, między innymi, Basell ORLEN Polyolefins, jedna ze spółekPKN Orlen.W Polsce PP produkuje się głównie poprzez wykorzystanie katalizatorów typu Zieglera-Natty. Syntezę katalizatora prowadzi się w oddzielnym węźle przygotowania katalizatora. Polimeryzację prowadzi się w czterech reaktorach pracujących szeregowo, o malejącym rozkładzie ciśnień. Jako rozpuszczalnika używa się heksanu, a propylen jest oczyszczony powyżej 99,7%. Katalizator, w postaci roztworu w heksanie, dozuje się do pierwszego reaktora, skąd przechodzi do następnych. Polimeryzacja zachodzi w temperaturze około 60 °C, pod ciśnieniem przekraczającym 1 MPa.
Masowy wskaźnik szybkości płynięcia polimeru ustala się za pomocą ilościwodoru dozowanego do reaktora. Wyprodukowaną zawiesinę polipropylenu zadaje sięmetanolem w celu dezaktywacji katalizatora. Następnie przemywa się tę zawiesinę wodą w celu usunięcia katalizatora, który na tym etapie procesu jest w fazie metanolowo-wodnej. Oddzieloną zawiesinę polimeru w heksanie poddaje się odwirowaniu. Uzyskany polipropylenizotaktyczny suszy się wsuszarce transportowej ifluidalnej za pomocą gorącego azotu. Suchy proszek polimeru jest transportowany pneumatycznie azotem do miejsca granulacji, dodaje sięstabilizatory i inne składniki dodatkowe oraz poddajewytłaczaniu zgranulowaniem. Otrzymany granulat jest produktem handlowym, który można, w zależności od gatunku, wtryskiwać lub wytłaczać.
Nowsze instalacje, z bardzo aktywnymi katalizatorami, umożliwiają uproszczenie technologii wytwarzania polipropylenu, głównie poprzez wyeliminowanie procesu mycia. Eliminuje to potrzebę oczyszczania ścieków oraz zmniejsza zużycie pary technologicznej.
Inne metody wytwarzania polipropylenu to polimeryzacja w ciekłymmonomerze (w masie) oraz w fazie gazowej. Są to metody nowsze i zarazem bardziej ekonomiczne. Polimeryzację prowadzi się w temperaturze od 55 do 80 °C, pod ciśnieniem od 2,7 do 3,0 MPa. Stężenie monomeru jest kilkakrotnie większe niż podczas polimeryzacji w roztworze, co umożliwia zmniejszenie stężenia katalizatora i mniejsze objętości reaktorów. Stopień krystalizacji otrzymanego polipropylenu wynosi około 95%.
Produkcja gotowych wyrobów zgranulatu odbywa się w zasadzie na drodze dwóch procesów: wtryskiwania i wytłaczania.
Metodą wtryskiwania mogą być wytwarzane z PP elementy cienkościenne, o skomplikowanych kształtach i dużych powierzchniach. Tą metodą wytwarza się wieleartykułów gospodarstwa domowego (pojemniki, skrzynki, różne opakowania). Elementy wtryskiwane charakteryzują się dużą sztywnością i dobrym połyskiem.
Metodą wytłaczania wytwarza się między innymi rury, izolacje rur stalowych,izolacje przewodów elektrycznych, płyty, różne profile, folie, włókna. Folie otrzymuje się głównie metodą wytłaczania przez dyszę szczelinową i rozciągania orazwytłaczania z rozdmuchem swobodnym. Folie są powszechnie stosowane jako materiał opakowaniowy, w tym dla produktów spożywczych.
Zużyte wytwory z polipropylenu (worki, opakowania, liny) mogą być, po oczyszczeniu i wykonaniu granulatu, wykorzystywane do dalszego przetwórstwa. Granulat wykonuje się w obecnościplastyfikatora, który nie powoduje zauważalnych zmian właściwości mechanicznych. Niemniej jednak tworzyw uzyskanych z odpadów poużytkowych nie można wykorzystywać do produkcji opakowań środków spożywczych i do produkcji zabawek, z uwagi na możliwą śladowątoksyczność takich produktów.
Zakresy temperatur używane podczas wtryskiwania polipropylenu
PP stosuje się też do nakładania powłok metodąfluidyzacji inatrysku płomieniowego. Często wykorzystuje się go do produkcji włókien, głównie metodąprzędzenia. Służy także do wytwarzania materiałów porowatych (spienionych), które są dobrym materiałem izolującym termicznie. Wytwory porowate można uzyskać głównie metodą wytłaczania lub wtryskiwania, przy czym w procesie „porowania” używa sięporoforu. Poroforem jest na ogół środek chemiczny, który rozkłada się podczas procesu spieniania wytwarzając gaz. Środki te dozuje się bezpośrednio do układu zasypowego maszyn przetwórczych w postaci proszku, granulatów lub substancji płynnych. W rezultacie tego procesu otrzymuje się produkt o mniejszej gęstości, co powoduje zmniejszenie zużycia polimeru. Ponadto uzyskuje się poprawienie właściwości tłumienia hałasu, zmniejszenieskurczu przetwórczego, zwiększenie sztywności, ale z kolei pogorszenie wytrzymałości mechanicznej. Porofor jest dodawany w ilości do 2,0% (przy 2% dodatku poroforu następuje ok. 25% zmniejszenie gęstości polipropylenu).
Temperatura granulatu używanego do procesu to w zasadzie temperatura otoczenia. Temperatura wtryskiwania wynosi 220–300 °C, a temperatura formy powinna wynosić od 20 do 80 °C. Stosować należy dość wysokie ciśnienie wtryskiwania, w granicach od 100 do 180 MPa. Zaleca się przy tym stosować długi czasdocisku, nawet do 50% czasu wtryskiwania, aby uniknąć zapadnięć, a ciśnienie powinno wynosić od 40 do 80% ciśnienia wtryskiwania.
PP jest tworzywem o najmniejszej gęstości spośród stosowanych szeroko polimerów. Wykazuje on dużą odporność chemiczną, zwłaszcza w temperaturze pokojowej, w której jest prawie całkowicie odporny na działanie kwasów, zasad i soli orazrozpuszczalników organicznych. Jedynie silneutleniacze, na przykład dymiącykwas siarkowy lubazotowy,zasady bielące orazciecze niepolarne (benzen,czterochlorek węgla,chlorek metylu) atakują go w tej temperaturze. Długotrwały kontakt z miedzią także działa niszcząco na PP, dlatego do trwałych połączeń PP-miedź należy stosować łączniki zmosiądzu.
Dyfuzja tlenu w rurach z PP występuje przy temperaturze powyżej 60 °C.
W podwyższonych temperaturach PP rozpuszcza się wwęglowodorach aromatycznych,estrach iketonach. Charakteryzuje się dobrąprzepuszczalnością powietrza oraz niewielką przepuszczalnością pary. Jest materiałem obojętnym fizjologicznie oraz łatwym do przetwórstwa, ale należy unikać przekroczenia temperatury 270 °C, ponieważ powyżej następuje szybki proces degradacji (rozpadania się cząstek) polimeru. W tym celu producenci dodają odpowiednie środki poprawiające także tę niedogodność.
PP jest materiałem palnym, bezbarwnym, bezwonnym i niewrażliwym na działanie wody (absorpcja wody wynosi od 0,01 do 0,03%). Jest on materiałem masowego użytku i dość dobrym materiałem konstrukcyjnym, zwłaszcza z dodatkiemwypełniaczy włóknistych. W tym przypadku, na ogół niektóre właściwości uzyskanego materiału ulegają poprawie w stosunku do czystego PP.
PP i jegokompozyty, podobnie jak inne tworzywa wielkocząsteczkowe, wykazują również wady. Ważniejsze z nich to niezadowalające niektóre własności w porównaniu z materiałami metalowymi, a zwłaszcza zbyt mała temperatura użytkowania. Wytwory z PP mogą być użytkowane w temperaturze −5 do +100 °C.Kopolimerypropylenowo-etylenowe mogą pracować w niższych temperaturach. Ponadto PP jest mało odporny na działanie tlenu (konieczność stosowaniaprzeciwutleniaczy) orazpromieniowania nadfioletowego (konieczność stosowania stabilizatorów).
przemysł chemiczny i farmaceutyczny: przewody do wody i cieczy agresywnych, zbiorniki, wykładziny, naczynia laboratoryjne, tkaniny filtracyjne, sprzęt medyczny, naczynia dla chorych, strzykawki jednorazowego użytku, opakowania leków;
przemysł włókienniczy: oprzyrządowanie narażone na działanie chemikaliów (cewki, skrętarki, snowarki), zbiorniki do aparatów barwiących, włókna, dywany, tkaniny techniczne; włókna polipropylenowe stanowią około 12% ogólnej ilości włókien syntetycznych;
przemysł elektrotechniczny i elektroniczny: obudowy i części różnych produktów tego przemysłu, izolacje, w tym kabli i przewodów;
przemysł samochodowy: elementy samochodowe (zderzaki, przednie części karoserii oraz elementy wyposażenia wnętrza);
budownictwo i meblarstwo: izolacje piankowe, wykładziny, polepszanie właściwości mechanicznych konstrukcji betonowych, wyposażenie łazienek, sprzęt pralniczy, przewody gazowe i centralnego ogrzewania oraz klimatyzacji, niektóre meble i ich elementy;
przemysł spożywczy i opakowania: wykładziny cystern do mleka, napełniane na gorąco puszki, słoje i butelki, pojemniki i różne opakowania, w tym z folii;
JózefJ.KoszkulJózefJ.,Polipropylen i jego kompozyty, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, 1999. Brak numerów stron w książce*JerzyJ.NowackiJerzyJ.,Materiały kompozytowe, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, 1993. Brak numerów stron w książce*RobertR.SikoraRobertR.,Tworzywa wielkocząsteczkowe. Rodzaje i własności, Warszawa:Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1982. Brak numerów stron w książce
